第五章 光纤激光器
第五章 光纤激光器. 光纤激光器是以 掺杂光纤 本身为 工作物质，而该光纤本身 又起到 导波作用 的固体激光器。由 工作物质、谐振腔、泵浦源 三个基本部分组成。 优点： 散热性能好、转换效率高、激光阈值低； 谐振腔可以是直接镀在端面的腔镜、或光纤耦合器、光纤圈等。 可获得宽带的可调谐激光输出，并调节激光输出。 光纤激光器的某些波长适用于光纤通信的低损耗窗口。. 本章主要内容： §1 掺杂光纤 §2 光纤激光器的谐振腔 §3 掺稀土元素的光纤激光器 §4 超荧光光纤激光器 (SFS). §1 掺杂光纤. 一、掺杂元素
第五章 光纤激光器
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第五章 光纤激光器 • 光纤激光器是以掺杂光纤本身为工作物质，而该光纤本身又起到导波作用的固体激光器。由工作物质、谐振腔、泵浦源三个基本部分组成。 • 优点： • 散热性能好、转换效率高、激光阈值低； • 谐振腔可以是直接镀在端面的腔镜、或光纤耦合器、光纤圈等。 • 可获得宽带的可调谐激光输出，并调节激光输出。 • 光纤激光器的某些波长适用于光纤通信的低损耗窗口。
本章主要内容： §1 掺杂光纤 §2 光纤激光器的谐振腔 §3 掺稀土元素的光纤激光器 §4 超荧光光纤激光器(SFS)
§1 掺杂光纤 一、掺杂元素 掺稀土元素——镧系[Xe6S2]，外层都为为5S25P66S2 镧系元素电子结构的差别只在4f壳层的电子占有数。 1、掺杂浓度 最佳在100ppm量级。 太低：掺杂离子的总有效数小于入射光子数，激发态可能被耗尽。 太高：稀土离子之间出现非辐射的浓度抑制，跃迁产生激光的能级上有效粒子数减少；导致玻璃基质产生结晶效应，不利于产生激光。
2、掺杂光纤的基质 • （1）石英玻璃 • 石英玻璃对稀土元素离子的光谱能级的影响：产生斯塔克分裂，使得能级加宽，光谱变宽。 • （2）重金属氟化物玻璃 • 优点： • 通光窗口宽，在300-8000 nm范围透过率很高。 • 易于成纤。 • 易于激活，因为氟化物玻璃是稀土元素的理想宿主。
二、石英光纤中掺稀土元素离子的光谱特性 1、Er 3+、Nd 3+的电子能级 4I13/2 能级分裂 4I 15/2 Nd 3+ Er 3+
4F 5/2 4F 5/2 4F 3/2
2、掺稀土光纤的光谱特性 Nd3+ 掺钕光纤： 使用800nm、900nm、 530nm波长的泵浦光源，将在900nm、1060nm 、 1350nm波长处得到激光。 掺铒光纤： 使用800nm、900nm、 1480nm、530nm波长的泵浦光源，将在900nm、1060nm、 1536nm波长处得到激光。 掺铒光纤存在最佳光纤长度（约10m）。 Er3+
3、掺杂光纤的激光特性 • 掺铒的三能级系统：基态E1、亚稳态 E2、 高能级E3。从E3 ——E1，泵浦几率为WP，跃迁几率为WP。 • E3非辐射——E2，几率为S32； E3自发辐射和非自发辐射——E2、 E1，几率为A32、A31、S31。 • 选择工作物质要求： • A32、A31和S31 S32以及 • S32 WP(3-1)， • N2 N1。 • 一般选择A21较小的工作物质。 A32
因此有速率方程组： • dN3/dt=(N1-N3) WP -N2 S32 • dN2/dt=N1 W12 +N3 S32–N2 W21 –N2(A21 +S21) • N1+N2 +N3=Nt • Nt是工作介质内的总粒子数密度。 • 这三个方程为三能级系统的速率方程组。 • 可见，只要WP(1-3)足够大，就能实现粒子数反转，掺稀土光纤就变成激活介质，对频率为(E2-E1 )/h的信号具有放大作用。
§2 光纤激光器的谐振腔 一、F——P腔 1，结构 M1: 对泵浦光高透；对激光高反 M2: 对激光高反（低增益系统95%；高增益系统 75%） 2，光传输特性 理论——波动光学。假设：谐振腔内的光纤伸直；为阶跃折射率弱波导光纤。
增益系数 光在腔内传输来回一次后的光强为： 要保证激光在腔内振荡，要求： 反射光与入射光发生干涉，为了在腔内形成稳定振荡，要求干涉加强。则腔长与波长满足(驻波条件)： 平均损耗系数
纵模和横模—— 在腔内，轴向驻波场为腔的本征模式光场。特点：与轴线垂直的横截面光场稳定均匀分布；轴线方向形成驻波， 称为纵模。节数为q，为纵模序数。 与轴线垂直的横截面内光场稳定分布，称为横模，用LPml表示，为线性偏振模。m为方位数，表示垂直光纤的横截面内沿圆周方向方位角从0到2光场的变化数（节线数）。l为径向模数，表示纤芯区域光场的半径方向变化数(节线数)。 LP01表示基模，它的角向径向节线数没有变化，为圆形光斑。
二、基于定向耦合器的谐振腔和反射器 1、光纤环行谐振腔 泵浦光由1端进入，经耦合器进入环行腔。激励的激光与泵光无关。产生的激光由4端到3端。经耦合器分为2束：一束从2端输出；另一束由4端返回并被谐振放大；如此反复。其中储存了能量。 掺杂光纤 耦合器： 4端出射光比1端入射光停滞后/2。
2、光纤圈反射器 普通单模光纤制成的耦合器的重要特性：只要在工作波长下单模运行，在两个输出端与输入端之间存在固定相位差，交叉耦合的光波比输入光波滞后相位/2。 光纤圈的功率反射率R、透射率T为： 从2端的透射功率总和为0： 134 2的的顺时针光 场相位差为0，与从1 4 3 2的逆时针光场的相位差为π。 两光场因为振幅相同、相位相反 而抵消，总和为0 。光从1返回。 SMF
3、光纤圈谐振腔 光纤圈为非谐振的干涉仪结构。注意分束器的取向。其中没有能量储存。 反射 反射 透射 透射 光波既可以通过另一端输出；又可以再从输入端反射。
4、全光纤激光器 两个光纤圈反射器串联起来组成的谐振腔，通过一条掺杂光纤熔锥而成的全光纤激光器。 激光器要实现振荡，要求光纤圈提供正反馈。由此得到谐振腔的有效腔长为： 掺杂光纤 L2 L1 L
三、可调谐光纤激光器 光纤激光器有较宽的波长调节范围，比染料激光器的化学性质更稳定，不需低温运行，潜在应用价值显著。 1，反射镜+光栅形式可调谐输出谐振腔 使用闪耀光栅，若对激光中心的闪耀级次为M级，闪耀角为，光栅常数为d，则光栅方程为： 只要转动衍射光栅，使光束相对于光栅法线的入射角在 附近变化，就能实现调节波长。
可调谐激光器 采用这种结构，利用氩离子激光器的514nm的光作为泵浦光，分别激励掺铒光纤及掺钕光纤,可调谐的波长范围分别为25nm和80nm。 由于分束器与光学元器件带来了腔内损耗，导致阈值功率提高。 14 nm 11 nm
四、(反射镜+光纤圈反射器形式)可调谐输出激光器四、(反射镜+光纤圈反射器形式)可调谐输出激光器 光纤圈的功率反射率为： 通过改变温度来调节光纤圈的反射率，使掺杂光纤达到激光谐振放大。 泵浦光反射率为5% 激光反射率大于95%
五、窄带输出的光纤激光器 通过光纤光栅的选模作用： 达到窄带输出。B是布拉格波长， d是光栅周期，ne是有效折射率。 激光线宽0.06 nm
六、光纤Fox-Smith谐振腔 一般地，1——4段及1——3段的谐振频率不同。复合腔的纵模频率间隔为： 选择适当的l3、l4以致于在 整个荧光线宽内只有一个 纵模在振荡。则可以实现 单纵模运转。
§5.3 掺稀土元素的光纤激光器 一、掺Er 3+光纤激光器的示例1、Er 3+的三能级系统 • 以980 nm的半导体光源作为泵浦源； • 掺Er 3+光纤中Er 3+的受激辐射产生Laser。 能级分裂
由合适长度的掺Er 3+光纤、980nm大功率半导体激光器泵浦源和谐振腔构成。 世界上第一台掺Er 3+光纤激光器由英国南安谱敦大学的L. Reekie教授于1987年实现。 斜率效率 =输出功率/吸收功率% =3.3% 输出镜 输入镜 吸收功率 mW
二、掺Nd3+光纤激光器的示例 由合适长度的掺Nd 3+光纤、800nm大功率半导体激光器泵浦源和谐振腔构成。 世界上第一台掺Nd 3+光纤激光器由英国南安谱敦大学的R.J. Mears教授于1985年实现。
Er 3+、Nd 3+的吸收与辐射 4F 5/2 4F 3/2
泵浦功率与光纤激光器的输出功率 • 优点： • 不需要水冷即可工作； • 不容易饱和。 光纤激光器输出功率/mW GaAs激光二极管的输出功率 mW
§5.4 超荧光光纤激光器(Superfluorescent Fiber source) 分类： 根据泵浦光与超荧光传播方向的异同，以及光纤两端是否存在反射分类。 单程反向 双程前向 单程前向 双程反向
SFS的原理、特点 原理： 由于泵浦光的激励，粒子数反转。如果亚稳态的粒子自发辐射，产生光子的传输在光纤接收角内，就能够在光纤内传输，诱发许多亚稳态的粒子受激辐射跃迁，并产生完全相同的光子而放大。 如果光纤的增益足够，就称之为放大的自发辐射（Amplified Spontaneous Emitting, ASE） 。 特点：与普通光纤激光器相比，没有谐振腔。
超过最佳长度将被再吸收 Fig.2 输出功率与掺铒光纤长度的关系 Fig.3 不同长度光纤的泵浦功率与波长的关系
光纤端镜的反射率与光谱宽度的关系 DPF: 因为1535nm处的ASE信号比1550nm处的ASE信号增长快，所以小的反射率也有大的带宽． DPB: 反射率达到50%时，1535nm处的ASE信号饱和，而1550nm处的ASE信号继续增强，所以带宽增加。
作业——作图分析题 • 讨论掺稀土（铒、钕）光纤受激辐射的基本原理。 • 举例说明3种谐振腔的原理和应用范例。 • 怎样才能得到波长可调谐激光？怎样才能得到窄谱激光？说明理由。 • 举例说明2种光纤激光器构成和产生激光的原理。
